中國科學(xué)院成會明：廢舊鋰電池重生與再利用“新途徑”
【電池中國網(wǎng) 12月21日
上海訊】12月20日，第七屆動力電池應(yīng)用國際峰會(CBIS2022)在中國上海拉開帷幕，本屆峰會主題為“綠色低碳：構(gòu)建鋰電發(fā)展新生態(tài)”，峰會由宏工科技總冠名，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會、電池中國網(wǎng)主辦，明冠鋰膜、東方證券聯(lián)合主辦，動力電池應(yīng)用分會、壹能(北京)網(wǎng)絡(luò)科技有限公司承辦，無錫先導(dǎo)智能、申能東方能源研究院聯(lián)合承辦。
中國科學(xué)院院士成會明在發(fā)言中表示，在雙碳戰(zhàn)略下，電化學(xué)儲能將迅猛發(fā)展，預(yù)計到2050年將達到數(shù)百GW。
從電池材料體系來看，目前電化學(xué)儲能還是以鋰離子電池為主，而受新能源汽車動力電池快速增長影響，未來鋰離子電池使用量將急劇上升。“隨著使用量的增加，廢舊鋰離子電池的量也將呈現(xiàn)指數(shù)級增長，預(yù)計到2023年就將突破50萬噸，然而全球來看，目前鋰電池回收比例尚不足5%。”成會明指出，與此同時，鋰離子電池需要的貴金屬資源，尤其是鋰、鈷等，我國資源有限，存在被“卡脖子”風(fēng)險。
在成會明看來，電池回收意義重大：既能緩解鋰電池的資源短缺，確保能源戰(zhàn)略安全，也關(guān)乎新能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。需要指出的是，電池回收發(fā)展任重道遠，需要材料、環(huán)境、機械、信息等多學(xué)科交叉，共同推進行業(yè)的發(fā)展。
據(jù)成會明介紹，現(xiàn)有的廢舊鋰電池回收方法主要有火法和濕法兩種，這兩種回收方法均基于正極材料結(jié)構(gòu)的破壞與有價金屬元素的提取，而電極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，必須使用較為極端的條件，如高溫、強酸等方法破壞正極材料中的化學(xué)鍵，且提取過程冗長。
成會明指出，現(xiàn)有回收技術(shù)面臨如下挑戰(zhàn)：
一、基于結(jié)構(gòu)破壞-再提取思路的濕法、火法回收方法流程長、能耗高。
二、回收外加試劑的成本與排放不宜控制。
三、回收產(chǎn)物應(yīng)用具有局限性、經(jīng)濟性不高。
針對當前廢舊鋰電池回收痛點，基于其團隊多年研究，成會明提出了如下回收思路：
從獲得單質(zhì)元素向獲得化合物、間接回收向直接回收的轉(zhuǎn)變(回收思路直接化);
使用外源試劑向內(nèi)源的轉(zhuǎn)變(回收流程封閉化);
回收產(chǎn)物的功能化、多樣化、高值化(回收產(chǎn)物功能化)。
以直接回收法：失效磷酸鐵鋰的直接修復(fù)及其氮修飾為例，失效的磷酸鐵鋰中存在明顯的Li+空位和 Fe-Li 反位缺陷(電化學(xué)循環(huán)過程中屬于Fe位的Fe 遷移到 Li位)，他們團隊開發(fā)出多功能溶劑且添加鋰源，通過水熱和短暫煅燒的方式對Li+空位和Fe-Li 反位缺陷進行同步修復(fù)。
由于長時間循環(huán)，失效的磷酸鐵鋰在臨近表面區(qū)域出現(xiàn)了磷酸高鐵相(Li+ 空位造成)和Disorder的區(qū)域，還有一部磷酸鐵鋰相(提供殘余容量)。
修復(fù)后磷酸鐵鋰形成結(jié)構(gòu)均一，元素分布均勻的磷酸鐵鋰相。對FePO4和Disorder 區(qū)域進行了有效修復(fù)。
在對失效磷酸鐵鋰修復(fù)的同時，對磷酸鐵鋰實現(xiàn)了氮摻雜。這對磷酸鐵鋰的電化學(xué)性能有極其重要的作用。
修復(fù)后的磷酸鐵鋰恢復(fù)到商業(yè)磷酸鐵鋰的容量，極化明顯減少，界面穩(wěn)定性、倍率性能和高低溫性能得到了極大的改善;由于N摻雜，因此修復(fù)后的磷酸鐵鋰展現(xiàn)出比商業(yè)磷酸鐵鋰更優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性;修復(fù)后的磷酸鐵鋰在高倍率下(5C，10C) 仍具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
演講中，成會明院士還詳細介紹了回收流程封閉化和回收產(chǎn)物功能化的研究和應(yīng)用情況。
最后，成會明指出，建立電池回收與利用體系是一個系統(tǒng)工程，需要立法、儲運、回收技術(shù)、便于回收的電池設(shè)計、可溯源性多方面的協(xié)同創(chuàng)新，需要多學(xué)科交叉，包括材料、機械、信息等領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展，“未來理想的回收體系，應(yīng)該是電池全生命周期可溯源、拆解分選自動化、電池材料直接再生等創(chuàng)新技術(shù)的集成。”
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